研究揭示无氧发酵影响光合作用和呼吸作用新机制

在模式生物莱茵衣藻中，光合作用和有氧呼吸分别发生在叶绿体和线粒体中，无氧发酵则可以独立发生在细胞质、线粒体和叶绿体中。这三种基本的能量代谢过程如何和谐有序的发生在同一个细胞内是一个值得深度思考的科学问题。目前，围绕三者间相互作用的研究匮乏，功能耦合机制尚不清晰。 

此前研究表明，光合生物在黑暗处理下会逐渐积累质子，导致叶绿体类囊体腔酸化，进而抑制光合作用，这可能与叶绿体呼吸或ATP水解有关。中国科学院植物研究所田利金研究组基于前期对于类囊体腔酸化的研究，推测可能是在发酵过程中产生的弱酸抑制了光合作用。为了验证这一猜想，研究人员综合运用生物、物理和化学方法，首先通过使用叶绿体呼吸突变体ptox2、nda2和ATP水解突变体FUD50，黑暗条件下添加弱酸发现可以致其类囊体腔酸化，分别排除了黑暗中类囊体腔的酸化是由叶绿体呼吸和ATP水解导致的论断。同时研究人员发现类囊体腔内的酸化程度与无氧代谢弱酸的总积累量成正相关，而在同等处理条件下，利用发酵代谢过程中不产弱酸的绿藻NIES-2499开展实验，没有发现酸化的现象。这表明，发酵产生的弱酸代谢物是使类囊体腔发生酸化的诱因，科研人员还证明这种代谢产物的反馈调节机制存在于不同种类的光合生物中。同时根据膜对小分子的半透性特性，研究人员提出了“离子陷阱”模型，即外源添加或无氧发酵产生的弱酸分子能够跨越脂质双分子层，最终进入类囊体腔，但电离出的离子不能自由跨膜，类囊体腔内的pH缓冲能力较低，腔内质子不断积累，从而发生酸化。 

该研究阐释了光合生物中无氧发酵影响光合作用和呼吸作用的新机制，对于探索光合作用、有氧呼吸和无氧呼吸之间的化学偶联，理解光合生物基本生理过程及优化植物生长和固碳能力具有重要意义。 

研究成果于7月14日在线发表于国际学术期刊Nature Communications上，植物所博士研究生庞肖杰为论文第一作者，田利金研究员为通讯作者。植物所杨文强研究员、阿姆斯特丹自由大学Roberta Croce教授、比利时列日大学Pierre Cardol教授和法国科学研究中心Wojciech J Nawrocki博士参与了此项研究。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，中国科学院先导专项等项目资助。 

文章链接： 

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39898-0

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莱茵衣藻无氧发酵代谢途径以及“离子陷阱”工作模型